Schottky-Diode
 Verschiedene Schottky-Sperrschichtdioden: RF-Kleinsignalgeräte (links), Schottky-Gleichrichterdioden für mittlere und hohe Leistungen (Mitte und rechts) | |
| Typ | Passiv |
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| Erfunden | Walter H. Schottky |
| Pin-Konfiguration | Anode und Kathode |
| Elektronisches Symbol | |
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Die Schottky-Diode (benannt nach dem deutschen Physiker Walter H. Schottky), auch bekannt als Schottky-Barrier-Diode oder Hot-Carrier-Diode, ist eine Halbleiterdiode, die durch den Übergang eines Halbleiters mit einem Metall gebildet wird. Sie hat einen geringen Durchlassspannungsabfall und ein sehr schnelles Schaltverhalten. Die in den Anfängen der Drahtlostechnik verwendeten Cat's-Whisker-Detektoren und die in frühen Stromversorgungsanwendungen verwendeten Metallgleichrichter können als primitive Schottky-Dioden betrachtet werden. ⓘ
Wenn eine ausreichende Durchlassspannung angelegt wird, fließt ein Strom in Durchlassrichtung. Eine p-n-Diode aus Silizium hat eine typische Durchlassspannung von 600-700 mV, während die Durchlassspannung einer Schottky-Diode 150-450 mV beträgt. Diese geringere Vorwärtsspannung ermöglicht höhere Schaltgeschwindigkeiten und eine bessere Systemeffizienz. ⓘ
Geschichte
Walter H. Schottky (1886-1976) entdeckte im Jahr 1914 eine Unregelmäßigkeit bei der Emission von Thermionen in einer Vakuumröhre, die heute als Schottky-Effekt bekannt ist. ⓘ
Aufbau
Ein Metall-Halbleiter-Übergang wird zwischen einem Metall und einem Halbleiter gebildet, wodurch eine Schottky-Barriere entsteht (anstelle eines Halbleiter-Halbleiter-Übergangs wie bei herkömmlichen Dioden). Typische Metalle sind Molybdän, Platin, Chrom oder Wolfram sowie bestimmte Silizide (z. B. Palladiumsilizid und Platinsilizid), während der Halbleiter in der Regel n-Silizium ist. Die Metallseite fungiert als Anode und der n-Typ-Halbleiter als Kathode der Diode; das bedeutet, dass konventioneller Strom von der Metallseite zur Halbleiterseite fließen kann, aber nicht in die andere Richtung. Diese Schottky-Barriere führt sowohl zu einem sehr schnellen Schalten als auch zu einem geringen Durchlassspannungsabfall. ⓘ
Die Wahl der Kombination von Metall und Halbleiter bestimmt die Durchlassspannung der Diode. Sowohl n- als auch p-Typ-Halbleiter können Schottky-Barrieren entwickeln. Der p-Typ hat jedoch in der Regel eine viel niedrigere Durchlassspannung. Da der Leckstrom in Sperrrichtung mit sinkender Durchlassspannung drastisch ansteigt, kann diese nicht zu niedrig sein, so dass der übliche Bereich bei etwa 0,5-0,7 V liegt und p-Typ-Halbleiter nur selten verwendet werden. Titansilizid und andere hitzebeständige Silizide, die den für das Source/Drain-Glühen in CMOS-Prozessen erforderlichen Temperaturen standhalten können, haben in der Regel eine zu niedrige Durchlassspannung, um nützlich zu sein, so dass Prozesse, die diese Silizide verwenden, in der Regel keine Schottky-Dioden bieten. ⓘ
Mit zunehmender Dotierung des Halbleiters nimmt die Breite des Verarmungsbereichs ab. Unterhalb einer bestimmten Breite können die Ladungsträger durch das Verarmungsgebiet tunneln. Bei sehr hohen Dotierungen verhält sich der Übergang nicht mehr wie ein Gleichrichter, sondern wird zu einem ohmschen Kontakt. Dies kann für die gleichzeitige Bildung von ohmschen Kontakten und Dioden genutzt werden, da sich eine Diode zwischen dem Silizid und dem leicht dotierten n-Typ-Bereich und ein ohmscher Kontakt zwischen dem Silizid und dem stark dotierten n- oder p-Typ-Bereich bildet. Leicht dotierte p-Typ-Bereiche stellen ein Problem dar, da der resultierende Kontakt einen zu hohen Widerstand für einen guten ohmschen Kontakt, aber eine zu niedrige Durchlassspannung und einen zu hohen Leckstrom in Sperrrichtung aufweist, um eine gute Diode zu bilden. ⓘ
Da die Ränder des Schottky-Kontakts ziemlich scharf sind, entsteht um sie herum ein hoher elektrischer Feldgradient, der den Schwellenwert für die Durchbruchspannung in Sperrrichtung begrenzt. Es werden verschiedene Strategien angewandt, von Schutzringen bis zu Überlappungen der Metallisierung, um den Feldgradienten zu verteilen. Die Schutzringe verbrauchen wertvolle Chipfläche und werden vor allem für größere Dioden mit höherer Spannung verwendet, während die überlappende Metallisierung vor allem bei kleineren Dioden mit niedriger Spannung eingesetzt wird. ⓘ
Schottky-Dioden werden häufig als Entsättigungsklemmen in Schottky-Transistoren verwendet. Schottky-Dioden aus Palladiumsilicid (PdSi) sind aufgrund ihrer niedrigeren Durchlassspannung (die niedriger sein muss als die Durchlassspannung des Basis-Kollektor-Übergangs) hervorragend geeignet. Der Schottky-Temperaturkoeffizient ist niedriger als der Koeffizient des B-C-Übergangs, was die Verwendung von PdSi bei höheren Temperaturen einschränkt. ⓘ
Bei Leistungs-Schottky-Dioden sind die parasitären Widerstände der vergrabenen n+-Schicht und der epitaktischen n-Typ-Schicht von Bedeutung. Der Widerstand der Epitaxieschicht ist wichtiger als bei einem Transistor, da der Strom durch ihre gesamte Dicke fließen muss. Er dient jedoch als verteilter Ballastwiderstand über die gesamte Fläche des Übergangs und verhindert unter üblichen Bedingungen ein lokales thermisches Durchgehen. ⓘ
Im Vergleich zu den Leistungs-P-n-Dioden sind die Schottky-Dioden weniger robust. Der Übergang steht in direktem Kontakt mit der thermisch empfindlichen Metallisierung; eine Schottky-Diode kann daher weniger Leistung abführen als ein gleich großes p-n-Gegenstück mit einem tief vergrabenen Übergang, bevor sie ausfällt (insbesondere bei einem Durchbruch in Sperrrichtung). Der relative Vorteil der niedrigeren Durchlassspannung von Schottky-Dioden verringert sich bei höheren Durchlassströmen, bei denen der Spannungsabfall durch den Serienwiderstand dominiert wird. ⓘ
Erholungszeit in Sperrrichtung
Der wichtigste Unterschied zwischen der p-n-Diode und der Schottky-Diode ist die Sperrzeit (trr), wenn die Diode vom leitenden in den nichtleitenden Zustand übergeht. Bei einer p-n-Diode kann die Umkehrerholungszeit in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden bis zu weniger als 100 ns bei schnellen Dioden liegen und wird hauptsächlich durch die Diffusionskapazität begrenzt, die durch die während des leitenden Zustands im Diffusionsbereich angesammelten Minoritätsträger verursacht wird. Schottky-Dioden sind wesentlich schneller, da sie unipolare Bauelemente sind und ihre Geschwindigkeit nur durch die Sperrschichtkapazität begrenzt wird. Die Schaltzeit beträgt ~100 ps für Kleinsignaldioden und bis zu zehn Nanosekunden für spezielle Leistungsdioden mit hoher Kapazität. Beim Schalten mit p-n-Übergang gibt es auch einen Rückstrom, der bei Hochleistungshalbleitern zu einem erhöhten EMI-Rauschen führt. Bei Schottky-Dioden erfolgt das Schalten im Wesentlichen "augenblicklich" mit nur einer geringen kapazitiven Belastung, was weit weniger problematisch ist. ⓘ
Dieses "sofortige" Schalten ist jedoch nicht immer der Fall. Insbesondere bei Schottky-Bauelementen mit höherer Spannung führt die zur Steuerung der Durchbruchfeldgeometrie erforderliche Schutzringstruktur zu einer parasitären p-n-Diode mit den üblichen Erholungszeiteigenschaften. Solange diese Schutzringdiode nicht in Durchlassrichtung vorgespannt ist, fügt sie nur Kapazität hinzu. Wird der Schottky-Übergang jedoch stark genug angesteuert, führt die Vorwärtsspannung schließlich dazu, dass beide Dioden in Durchlassrichtung vorgespannt werden, und die tatsächliche trr wird stark beeinträchtigt. ⓘ
Es wird oft gesagt, dass die Schottky-Diode ein "Mehrheitsträger"-Halbleiterbauelement ist. Das bedeutet, dass bei einem dotierten n-Typ-Halbleiterkörper nur die n-Typ-Träger (bewegliche Elektronen) eine wichtige Rolle für den normalen Betrieb des Bauelements spielen. Die Majoritätsträger werden schnell in das Leitungsband des Metallkontakts auf der anderen Seite der Diode injiziert und werden zu frei beweglichen Elektronen. Daher findet keine langsame, zufällige Rekombination von n- und p-Ladungsträgern statt, so dass diese Diode die Leitung schneller beenden kann als eine gewöhnliche p-n-Gleichrichterdiode. Diese Eigenschaft ermöglicht wiederum eine kleinere Bauelementfläche, was ebenfalls zu einem schnelleren Übergang führt. Dies ist ein weiterer Grund, warum Schottky-Dioden in Schaltnetzteilen nützlich sind: Die hohe Geschwindigkeit der Diode bedeutet, dass die Schaltung bei Frequenzen im Bereich von 200 kHz bis 2 MHz betrieben werden kann, was die Verwendung kleiner Induktivitäten und Kondensatoren mit höherem Wirkungsgrad ermöglicht, als dies bei anderen Diodentypen möglich wäre. Kleinflächige Schottky-Dioden sind das Herzstück von HF-Detektoren und -Mischern, die oft bei Frequenzen von bis zu 50 GHz arbeiten. ⓘ
Silicium-Schottky-Dioden haben eine kleinere Schwellenspannung von ca. 0,4 V. Bei sehr kleinem Betriebsstrom kann der Spannungsabfall sogar bis unter 0,1 V sinken. Das ist deutlich weniger als bei einem Silicium-p-n-Übergang mit ca. 0,7 V. Sie können daher parallel zur Kollektor-Basis-Strecke eines Silicium-Bipolartransistors geschaltet werden, um eine Sättigung des Transistors zu verhindern und somit ein wesentlich schnelleres Schalten des Transistors in den Sperrzustand zu ermöglichen. Dies wurde vor allem vor der Verbreitung von leistungsfähigen MOSFETs bei schnellen Schaltern wie z. B. in Schaltnetzteilen genutzt, aber auch zur Realisierung von schnelleren TTL-Logikschaltungen (Digitaltechnik), z. B. in den Reihen 74(A)S und 74(A)LS. ⓘ
Der inhärente Nachteil der Silicium-Schottky-Diode sind die höheren Leckströme im Vergleich zu der auf Silicium basierenden p-n-Diode sowie die bei Konstruktion für höhere Sperrspannung schnell ansteigenden Leitungsverluste. ⓘ
Beschränkungen
Die offensichtlichsten Einschränkungen von Schottky-Dioden sind ihre relativ geringe Sperrspannung und ihr relativ hoher Leckstrom in Sperrrichtung. Bei Silizium-Metall-Schottky-Dioden liegt die Sperrspannung in der Regel bei 50 V oder weniger. Es gibt auch einige Ausführungen mit höherer Spannung (200 V gilt als hohe Sperrspannung). Da der Leckstrom in Sperrrichtung mit der Temperatur ansteigt, führt er zu einem Problem der thermischen Instabilität. Dadurch wird die nutzbare Sperrspannung oft auf einen Wert weit unter der eigentlichen Nennspannung begrenzt. ⓘ
Höhere Sperrspannungen sind zwar möglich, aber sie würden eine höhere Durchlassspannung erfordern, vergleichbar mit anderen Typen von Standarddioden. Solche Schottky-Dioden haben keinen Vorteil, es sei denn, es wird eine hohe Schaltgeschwindigkeit benötigt. ⓘ
Siliziumkarbid-Schottky-Diode
Schottky-Dioden aus Siliziumkarbid haben einen viel geringeren Leckstrom in Sperrrichtung als Silizium-Schottky-Dioden sowie eine höhere Durchlassspannung (etwa 1,4-1,8 V bei 25 °C) und Sperrspannung. Seit 2011 sind sie von den Herstellern in Varianten mit einer Sperrspannung von bis zu 1700 V erhältlich. ⓘ
Siliziumkarbid hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit, und die Temperatur hat wenig Einfluss auf die Schalt- und Wärmeeigenschaften. Mit einem speziellen Gehäuse können Siliziumkarbid-Schottky-Dioden bei Sperrschichttemperaturen von über 500 K (ca. 200 °C) betrieben werden, was eine passive Strahlungskühlung in Luft- und Raumfahrtanwendungen ermöglicht. ⓘ
Anwendungen
Spannungsbegrenzung
Während Standard-Siliziumdioden einen Vorwärts-Spannungsabfall von etwa 0,7 V und Germaniumdioden von 0,3 V haben, liegt der Spannungsabfall von Schottky-Dioden bei einer Vorwärtsspannung von etwa 1 mA im Bereich von 0,15 V bis 0,46 V (siehe 1N5817 und 1N5711), was sie für Anwendungen zur Spannungsbegrenzung und zur Vermeidung der Transistorsättigung nützlich macht. Dies ist auf die höhere Stromdichte in der Schottky-Diode zurückzuführen. ⓘ
Schutz vor Rückstrom und Entladung
Aufgrund des geringen Durchlassspannungsabfalls einer Schottky-Diode geht weniger Energie in Form von Wärme verloren, was sie zur effizientesten Wahl für Anwendungen macht, bei denen es auf Effizienz ankommt. So werden sie beispielsweise in netzunabhängigen Photovoltaikanlagen eingesetzt, um zu verhindern, dass sich die Batterien nachts über die Solarmodule entladen (so genannte "Sperrdioden"). Sie werden auch in netzgekoppelten Systemen mit mehreren parallel geschalteten Strängen verwendet, um zu verhindern, dass bei einem Ausfall der "Bypass-Dioden" Rückstrom von benachbarten Strängen durch die beschatteten Stränge fließt. ⓘ
Getaktete Stromversorgungen
Schottky-Dioden werden auch als Gleichrichter in Schaltnetzteilen eingesetzt. Die niedrige Durchlassspannung und die schnelle Erholungszeit führen zu einem höheren Wirkungsgrad. ⓘ
Sie können auch in ODER"-Schaltungen von Stromversorgungen in Produkten verwendet werden, die sowohl über eine interne Batterie als auch über einen Netzadaptereingang o. ä. verfügen. Allerdings stellt der hohe Leckstrom in Sperrrichtung in diesem Fall ein Problem dar, da jede Schaltung zur Erfassung der Spannung mit hoher Impedanz (z. B. zur Überwachung der Batteriespannung oder zur Feststellung, ob ein Netzadapter vorhanden ist) die Spannung der anderen Stromquelle durch die Leckdiode erkennt. ⓘ
Sample-and-Hold-Schaltungen
Schottky-Dioden können in Abtast- und Halteschaltungen auf Diodenbrückenbasis verwendet werden. Im Vergleich zu normalen Diodenbrücken mit p-n-Übergang bieten Schottky-Dioden einige Vorteile. Eine in Durchlassrichtung vorgespannte Schottky-Diode hat keine Minoritätsträger-Ladungsspeicherung. Dadurch können sie schneller schalten als herkömmliche Dioden, was zu einer geringeren Übergangszeit vom Abtast- zum Halteschritt führt. Das Fehlen von Minoritätsladungsträgern führt auch zu einem geringeren Halteschritt oder Abtastfehler, was zu einer genaueren Abtastung am Ausgang führt. ⓘ
Ladungssteuerung
Aufgrund ihrer effizienten Steuerung des elektrischen Feldes können Schottky-Dioden zum präzisen Laden oder Entladen einzelner Elektronen in Halbleiter-Nanostrukturen wie Quantentöpfen oder Quantenpunkten verwendet werden. ⓘ
Bezeichnung
Zu den häufig anzutreffenden Schottky-Dioden gehören die Gleichrichter der Serie 1N58xx, z. B. die durchkontaktierten Teile 1N581x (1 A) und 1N582x (3 A) sowie die oberflächenmontierten Teile SS1x (1 A) und SS3x (3 A). Schottky-Gleichrichter sind in zahlreichen oberflächenmontierbaren Gehäuseformen erhältlich. ⓘ
Kleinsignal-Schottky-Dioden wie die 1N5711, 1N6263, 1SS106, 1SS108 und die Serien BAT41-43, 45-49 sind in Hochfrequenzanwendungen als Detektoren, Mischer und nichtlineare Elemente weit verbreitet und haben die Germanium-Dioden abgelöst. Sie eignen sich auch für den Schutz empfindlicher Bauelemente vor elektrostatischen Entladungen (ESD), wie z. B. III-V-Halbleiterbauelemente, Laserdioden und in geringerem Maße auch freiliegende Leitungen von CMOS-Schaltungen. ⓘ
Schottky-Metall-Halbleiter-Übergänge sind in den Nachfolgern der TTL-Logikbausteine der 7400-Familie, den Serien 74S, 74LS und 74ALS, zu finden, wo sie als Baker-Klemmen parallel zu den Kollektor-Basis-Übergängen der Bipolartransistoren eingesetzt werden, um deren Sättigung zu verhindern und so ihre Ausschaltverzögerung erheblich zu verringern. ⓘ
Alternativen
Wenn eine geringere Verlustleistung erwünscht ist, können stattdessen ein MOSFET und eine Steuerschaltung in einer Betriebsart verwendet werden, die als aktive Gleichrichtung bekannt ist. ⓘ
Eine Superdiode, die aus einer pn-Diode oder Schottky-Diode und einem Operationsverstärker besteht, bietet durch den Effekt der Gegenkopplung eine nahezu perfekte Diodencharakteristik, ist jedoch auf Frequenzen beschränkt, die der verwendete Operationsverstärker verarbeiten kann. ⓘ
Electrowetting
Elektrobenetzung kann beobachtet werden, wenn eine Schottky-Diode mit einem Tropfen eines flüssigen Metalls, z. B. Quecksilber, in Kontakt mit einem Halbleiter, z. B. Silizium, gebildet wird. Je nach Art und Dichte der Dotierung im Halbleiter hängt die Ausbreitung des Tropfens von der Größe und dem Vorzeichen der an den Quecksilbertropfen angelegten Spannung ab. Dieser Effekt wird als "Schottky-Elektrowetting" bezeichnet. ⓘ
Schottky-Dioden in der Elektronik
Siliciumcarbid-Schottky-Dioden
Schottky-Dioden auf Basis von Siliciumcarbid (SiC) weisen eine Schwellenspannung von ca. 0,8 V auf, bieten aber in der Leistungselektronik gegenüber den konventionellen Siliciumdioden eine Reihe von Vorteilen. SiC-Schottky-Dioden sind bis zu Sperrspannungen von 1,7 kV verfügbar, womit sie insbesondere im Bereich der Leistungselektronik, z. B. in Schaltnetzteilen und Umrichtern, eingesetzt werden. Da sie fast kein Vorwärts- und vor allem kein Rückwärts-Erholverhalten aufweisen, kommen sie der idealen Diode sehr nahe. Beim Einsatz als Kommutierungspartner für Insulated Gate Bipolar-Transistoren (IGBT) sind eine erhebliche Reduktion der Schaltverluste sowohl in der Diode selbst wie auch im Transistor möglich, da dieser beim Wiedereinschalten keinen Rückwärts-Erholstrom zu übernehmen braucht. Die erlaubten Sperrschichttemperaturen liegen bei entsprechenden Gehäusen mit bis zu 200 °C deutlich höher als bei Silicium-Schottky-Dioden, was die Kühlung bei SiC-Dioden vereinfacht. ⓘ